№1. Строение атома: электронные оболочки, конфигурации, изотопы
Задание №1 проверяет, умеешь ли ты по положению элемента в таблице Менделеева назвать число электронов на внешнем уровне и записать электронную конфигурацию. Правило здесь короткое, но применить его нужно к каждому элементу перечня — именно на переборе и теряют балл.
Начнём с нуля. Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, которые движутся вокруг него. В ядре находятся протоны (заряд +1, масса 1) и нейтроны (заряда нет, масса 1). Число протонов равно порядковому номеру элемента в таблице Менделеева — это зарядовое число Z. Атом электрически нейтрален, поэтому число электронов в атоме тоже равно Z. Например, у серы Z = 16: в её атоме 16 протонов и 16 электронов.
число протонов = Z (порядковый номер) · число электронов в атоме = Z · число нейтронов N = A − Z · заряд ядра = +Z
Массовое число A — это сумма протонов и нейтронов. Отсюда и формула числа нейтронов: N = A − Z. У одного и того же элемента бывают атомы с разным числом нейтронов: это изотопы. Например, хлор встречается как 35Cl и 37Cl: протонов и электронов у них по 17, а нейтронов 18 и 20. У изотопов одинаковые химические свойства, потому что свойства определяют электроны, а не нейтроны. Проверим на железе 56Fe: Z = 26, значит протонов 26, электронов 26, а нейтронов 56 − 26 = 30.
Электроны расположены на энергетических уровнях, или электронных слоях. Номер уровня — это номер периода, в котором стоит элемент: у элементов второго периода два уровня, у элементов четвёртого — четыре. Каждый уровень делится на подуровни s, p, d, f, а подуровень состоит из орбиталей. На одной орбитали может находиться не более двух электронов (принцип Паули), поэтому s-подуровень вмещает 2 электрона, p — 6, d — 10, f — 14.
порядок заполнения подуровней: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2
| Подуровень | Число орбиталей | Максимум электронов | Пример записи |
|---|---|---|---|
| s | 1 | 2 | у лития 1s2 2s1 |
| p | 3 | 6 | у неона 1s2 2s2 2p6 |
| d | 5 | 10 | у цинка конфигурация заканчивается на 3d10 4s2 |
| f | 7 | 14 | у лантаноидов заполняется 4f |
Заполнение идёт по правилу наименьшей энергии: сначала заполняется подуровень с меньшей энергией. Поэтому 4s заполняется раньше, чем 3d, хотя номер уровня у него больше. Внутри подуровня электроны сначала занимают орбитали по одному (правило Хунда) и лишь потом спариваются. Запись конфигурации удобно проверять суммой: например, у хлора 1s2 2s2 2p6 3s2 3p5 — складываем 2 + 2 + 6 + 2 + 5 = 17, и это совпадает с номером хлора.
По последнему заполняемому подуровню элементы делят на семейства. s-элементы — это элементы I и II групп главных подгрупп (у них заполняется s-подуровень внешнего уровня), p-элементы — элементы III–VIII групп главных подгрупп, d-элементы — элементы побочных подгрупп. Для задания №1 важнее другое: число электронов на внешнем уровне у элементов главных подгрупп равно номеру группы. Исключения — водород (1 электрон) и гелий (2 электрона, хотя он стоит в VIII группе).
элементы I группы (Li, Na, K) — 1 внешний электрон · II группы (Be, Mg, Ca, Ba) — 2 · III группы (B, Al, Ga) — 3 · IV группы (C, Si) — 4 · V группы (N, P) — 5 · VI группы (O, S) — 6 · VII группы (F, Cl, Br, I) — 7
- Шаг 1. Определи по таблице Менделеева порядковый номер элемента: это число протонов и число электронов в атоме.
- Шаг 2. Найди номер периода: он равен числу электронных слоёв и числу цифр в записи конфигурации (без учёта продолжения в глубину).
- Шаг 3. Найди номер группы: для элементов главных подгрупп он равен числу электронов на внешнем уровне — именно это чаще всего спрашивают в задании №1.
- Шаг 4. Заполняй подуровни по порядку 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, пока не расставишь все электроны, и проверь сумму по номеру элемента.
- Шаг 5. Если нужно найти число нейтронов, вычти из массового числа номер элемента: N = A − Z.
- Шаг 6. Перед записью ответа пересчитай внешние электроны для каждого элемента перечня: задание решается перебором, а не угадыванием.
Типичные ошибки. 1) Путают номер группы и номер периода: число электронов на внешнем уровне задаёт группа, а период говорит только о числе электронных слоёв. 2) Считают, что у d-элементов на внешнем уровне столько же электронов, сколько указывает номер группы: у элементов побочных подгрупп внешний уровень обычно содержит один или два электрона. 3) Заполняют 3d раньше 4s: по правилу наименьшей энергии сначала идёт 4s, и только потом 3d. 4) Забывают вместимость подуровней и пишут на p-подуровне больше шести электронов или больше двух на одной орбитали. 5) Путают изотопы с ионами: у изотопов меняется число нейтронов, а у ионов — число электронов, тогда как заряд ядра остаётся прежним. 6) Не учитывают исключения: у гелия 2 внешних электрона, у водорода 1, а у остальных элементов VIII группы внешний уровень завершён.
Проверь себя
- Сколько протонов, нейтронов и электронов в атоме 56Fe и почему число электронов не зависит от массового числа?
- Почему у элементов одного периода число электронных слоёв одинаковое, а число электронов на внешнем уровне разное?
- Запиши электронную конфигурацию атома хлора и объясни, почему на внешнем уровне у него семь электронов.
- Что изменится в строении частицы, если из нейтрального атома натрия получится ион Na^+?
- Почему 4s-подуровень заполняется раньше 3d, хотя номер 4 больше номера 3?
Показательные решения
- Условие просит выбрать два элемента, у которых на внешнем энергетическом уровне находится четыре электрона, а ответом будут номера этих элементов в перечне.
- Число электронов на внешнем уровне у элементов главных подгрупп равно номеру группы, поэтому ищем элементы IV группы, а не второго или четвёртого периода.
- Углерод стоит в IV группе главной подгруппы: его конфигурация 1s2 2s2 2p2, и на внешнем уровне действительно четыре электрона.
- Кремний тоже элемент IV группы: конфигурация 1s2 2s2 2p6 3s2 3p2, на внешнем уровне снова четыре электрона.
- Остальные элементы перечня относятся к другим группам: у них на внешнем уровне 1, 2, 3, 5, 6 или 7 электронов, поэтому они условию не отвечают.
- Проверка: у элементов IV группы и высшая степень окисления равна +4, а до завершения внешнего слоя не хватает четырёх электронов — всё согласуется.
- Ответ: 35 — углерод и кремний.
Ответ: 35
Официальное решение из банка ФИПИ
На внешнем энергетическом уровне четыре электрона имеют элементы IV группы: углерод и кремний. Ответ: 35.
- Нужно найти два элемента, у которых внешний уровень содержит три электрона, значит речь идёт о главной подгруппе III группы.
- Смотрим перечень и определяем группы: бор — III группа второго периода, галлий — тоже III группа, но четвёртого периода.
- Электронная конфигурация бора 1s2 2s2 2p1, а у галлия она заканчивается на 3d10 4s2 4p1 — в обоих случаях на внешнем уровне три электрона.
- Дополнительная проверка: у элементов III группы высшая степень окисления равна +3 и совпадает с номером группы.
- Элементы других групп отбрасываем: у них на внешнем уровне 1, 2, 4, 5, 6 или 7 электронов, и ни один из них условию не удовлетворяет.
- Ответ: 24 — галлий и бор.
Ответ: 24
Официальное решение из банка ФИПИ
На внешнем уровне три электрона имеют атомы III группы: галлий и бор. Ответ: 24.
- Ищем два элемента, у которых внешний уровень содержит два электрона, — это признак элементов II группы, то есть щёлочноземельных металлов.
- В перечне есть элементы I, II и V групп: у элементов I группы на внешнем уровне один электрон, у элементов V группы пять, поэтому эти варианты сразу отпадают.
- Кальций стоит во II группе главной подгруппы, его конфигурация заканчивается на 4s2 — на внешнем уровне два электрона.
- Барий тоже элемент II группы: у него внешний уровень описан как 6s2, то есть снова два электрона.
- Проверяем оставшиеся элементы перечня: у лития и калия на внешнем уровне по одному электрону (2s1 и 4s1), а у фосфора пять (3s2 3p3).
- Ответ: 25 — кальций и барий.
Ответ: 25
Официальное решение из банка ФИПИ
На внешнем уровне два электрона имеют атомы II группы: кальций и барий. Ответ: 25.